一種脈沖分配器在線故障診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種脈沖分配器在線故障診斷方法，包括有隔離型AC/DC電源模塊、光接收器、施密特反相器、功率放大電路、脈沖狀態診斷邏輯電路、光發送器和控制系統，實現脈沖分配器工作狀態的在線診斷。對保障大功率變流器設備安全運行極其重要。本發明在脈沖分配器上集成了故障檢測邏輯電路，可以實時檢測脈沖分配器功率放大回路和電源狀態；狀態診斷信號通過光纖傳送反饋到控制系統，控制系統通過識別脈沖邏輯，進行脈沖分配器狀態在線檢測；通過單根光纖傳送狀態信號，既實現了高壓隔離也簡化了施工布線。
【專利說明】
一種脈沖分配器在線故障診斷方法
技術領域
[0001]本發明涉及晶閘管相控變流器控制技術領域，尤其涉及一種脈沖分配器在線故障診斷方法。
【背景技術】
[0002]ITER(國際熱核聚變實驗堆)計劃是當今世界最大的國際科技合作計劃。極向場變流器電源是ITER重要的子系統之一，為等離子體的產生、約束、維持、加熱以及等離子體電流、位置、形狀、分布和破裂的控制，提供必要的工程基礎和控制手段。極向場變流器電源是超大功率晶閘管相控變流器，單機容量為60MW，整個系統裝機容量為4600MW。極向場變流器系統中需要使用大量脈沖分配器，用于觸發信號的接收、轉換以及將觸發信號功率放大驅動晶閘管元件。脈沖分配器的正常在線運行狀態是保障設備安全可靠運行的關鍵。由于變流器額定電壓高達3.15kV，額定負載電流為55kA，設備內的電壓等級較高、電磁干擾極其強烈。因此，極其有必要對脈沖分配器的工作狀態進行實時檢測，保障設備安全運行。
【發明內容】
[0003]本發明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種脈沖分配器在線故障診斷方法。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種脈沖分配器在線故障診斷方法，包括有隔離型AC/DC電源模塊、光接收器、施密特反相器、功率放大電路、脈沖狀態診斷邏輯電路、光發送器和控制系統，所述的隔離型AC/DC電源模塊為光接收器、施密特反相器、功率放大電路、脈沖狀態診斷邏輯電路和光發送器提供電源，所述的光接收器接收光脈沖觸發信號并轉換為電脈沖信號，由施密特反相器對信號整形，再由功率放大電路將電信號轉換成滿足晶閘管觸發要求的脈沖功率信號，同時整形后的脈沖信號與取自功放電路末級的電脈沖信號通過脈沖狀態診斷邏輯處理后輸出一個狀態信號，若該狀態信號是脈沖信號，則表示脈沖分配器工作正常;若該狀態信號是高電平，則表示功率放大回路故障;若該狀態信號是低電平，則表示電源故障，該狀態信號由光發送器通過光纖傳送反饋到控制系統，控制系統通過識別脈沖邏輯的不同組合來實現脈沖分配器正常態、脈沖故障態、電源故障態的在線狀態檢測功能。
[0005]所述的功率放大電路由限流電阻R2與5V穩壓二極管D3串聯后并聯在功率放大管Ql的源極和漏極兩端構成的，功率放大管Ql的柵極為施密特反相器整形后的信號的輸入端，功放電路末級的電脈沖信號從限流電阻R2和穩壓二極管D3的公共端輸入，功率放大管Ql的漏極還連接有電阻Rl，電阻Rl與變壓器Tl串聯，變壓器Tl的兩邊分別連接有二極管Dl和二極管D2。
[0006]所述的脈沖狀態診斷邏輯電路包括有NE555D芯片U2、異或門U3、CD4538BCM芯片U4、反相器U5和或門U6，NE555D芯片U2、電容C2、電容C3、電阻R3、電阻R4、二極管D4、二極管D5構成了頻率及占空比可調的多諧振蕩器，NE555D芯片U2的THRES端和CONT端分別與電容C2和電容C3連接，電容C2和電容C3的另一端接地，NE55?芯片U2的THRES端和DISCH端分別與電阻R3和二極管D4的正極連接，電阻R3和二極管D4串聯后再與二極管D5并聯，電阻R4的兩端分別與電阻R3和VCC5V連接，OUT端連接或門U6的一個輸入端，整形后的脈沖信號與功放末級的反饋信號進入異或門U3，異或門U3的輸出端連接反相器U5的輸入端，反相器U5的輸出端與電阻R7連接，CD4538BCM芯片U4、電容C1、電阻R6、電阻R7組成單穩態諧振電路，CD4538BCM芯片U4的AaIN端與電阻R7連接，電阻R6的一端連接VCC5V，另一端分別連接電容Cl和CD4538BCM芯片U4的T2A端，電容Cl與TlA端連接，CD4538BCM芯片U4的QaOUT端連接或門U6的另一個輸入端，或門U6的輸出端通過R8與三極管Q2的基極連接，三極管Q2的集電極與所述的光發送器連接。
[0007]光接收器接收光脈沖觸發信號并將其轉換為電脈沖信號；由施密特反相器對信號進行整形;再由功率放大電路將電信號轉換成滿足晶閘管觸發要求的脈沖功率信號；同時整形后的脈沖信號與功放電路末級的電脈沖信號通過脈沖狀態診斷邏輯處理后輸出一個狀態信號。若該狀態信號是脈沖信號，則表示脈沖分配器工作正常；若該狀態信號是高電平，則表示功率放大回路故障;若該狀態信號為低電平，則表示電源故障。該狀態信號由一個光發送器件通過光纖反饋到控制系統;控制系統通過識別脈沖邏輯的不同組合來實現脈沖分配器正常態、脈沖故障態、電源故障態的在線狀態檢測功能。
[0008]本發明的優點是:本發明在脈沖分配器上集成了故障檢測邏輯電路，可以實時檢測脈沖分配器功率放大回路和電源狀態;狀態診斷信號通過光纖傳送反饋到控制系統，控制系統通過識別脈沖邏輯，進行脈沖分配器狀態在線檢測;通過單根光纖傳送狀態信號，既實現了高壓隔離也簡化了施工布線。
【附圖說明】
[0009]圖1脈沖分配器在線故障診斷方案原理圖。
[0010]圖2脈沖整形電路原理圖。
[0011]圖3脈沖功率放大電路原理圖。
[0012]圖4脈沖分配器狀態診斷邏輯電路原理圖。
[0013]圖5脈沖狀態診斷邏輯測試波形圖-正常狀態波形。
[0014]圖6脈沖狀態診斷邏輯測試波形圖-功率放大級無輸入信號故障狀態波形。
[0015]圖7脈沖狀態診斷邏輯測試波形圖-功率放大級短路故障狀態波形。
【具體實施方式】
[0016]如圖1、2所示，一種脈沖分配器在線故障診斷方法，包括有隔離型AC/DC電源模塊
1、光接收器2、施密特反相器3、功率放大電路4、脈沖狀態診斷邏輯電路5、光發送器6和控制系統8，所述的隔離型AC/DC電源模I塊為光接收器2、施密特反相器3、功率放大電路4、脈沖狀態診斷邏輯電路5和光發送器6提供電源，所述的光接收器2接收光脈沖觸發信號并轉換為電脈沖信號，由施密特反相器3對信號整形，再由功率放大電路4將電信號轉換成滿足晶閘管觸發要求的脈沖功率信號，同時整形后的脈沖信號與取自功放電路末級的電脈沖信號通過脈沖狀態診斷邏輯處理后輸出一個狀態信號，若該狀態信號是脈沖信號，則表示脈沖分配器工作正常;若該狀態信號是高電平，則表示功率放大回路故障;若該狀態信號是低電平，則表示電源故障，該狀態信號由光發送器6通過光纖7傳送反饋到控制系統8，控制系統8通過識別脈沖邏輯的不同組合來實現脈沖分配器正常態、脈沖故障態、電源故障態的在線狀態檢測功能。
[0017]如圖3所示，所述的功率放大電路4由限流電阻R2與5V穩壓二極管D3串聯后并聯在功率放大管Ql的源極和漏極兩端構成的，功率放大管Ql的柵極為施密特反相器整形后的信號的輸入端，功放電路末級的電脈沖信號從限流電阻R2和穩壓二極管D3的公共端輸入，功率放大管Ql的漏極還連接有電阻Rl，電阻Rl與變壓器Tl串聯，變壓器Tl的兩邊分別連接有二極管Dl和二極管D2。
[0018]如圖4所示，所述的脈沖狀態診斷邏輯電路5包括有NE555D芯片U2、異或門U3、CD4538BCM芯片U4、反相器U5和或門U6，NE555D芯片U2、電容C2、電容C3、電阻R3、電阻R4、二極管D4、二極管D5構成了頻率及占空比可調的多諧振蕩器，NE55?芯片U2的THRES端和CONT端分別與電容C2和電容C3連接，電容C2和電容C3的另一端接地，NE55?芯片U2的THRES端和DISCH端分別與電阻R3和二極管D4的正極連接，電阻R3和二極管D4串聯后再與二極管D5并聯，電阻R4的兩端分別與電阻R3和VCC5V連接，OUT端連接或門U6的一個輸入端，整形后的脈沖信號與功放末級的反饋信號進入異或門U3，異或門U3的輸出端連接反相器U5的輸入端，反相器U5的輸出端與電阻R7連接，⑶4538BCM芯片U4、電容Cl、電阻R6、電阻R7組成單穩態諧振電路，CD4538BCM芯片U4的AaIN端與電阻R7連接，電阻R6的一端連接VCC5V，另一端分別連接電容Cl和CD4538BCM芯片U4的T2A端，電容Cl與TlA端連接，CD4538BCM芯片U4的QaOUT端連接或門U6的另一個輸入端，或門U6的輸出端通過R8與三極管Q2的基極連接，三極管Q2的集電極與所述的光發送器連接。
[0019]I)本發明整體技術方案如圖1所示，其中隔離型AC/DC電源模塊1、光接收器2、施密特反相器3、功率放大電路4、脈沖狀態診斷邏輯電路5、光發送器6屬于脈沖分配器內部電路。控制系統8，接收診斷信號并對脈沖分配器狀態進行在線檢測。
[0020]2)隔離型AC/DC電源模塊I采用通用型電源模塊，給整個脈沖分配器提供所需要的5V、12V等供電電源。
[0021]3)光接收器2接收觸發脈沖光信號，并將光信號轉換為TTL電平信號Pulse_in。Pulsejn電平信號通過施密特反相器3進行整形，得到整形后TTL電平信號Pulse_0ut，整形電路原理如圖2。
[0022]4)整形后脈沖信號PulSe_0ut經過信號功率放大電路4，轉換成滿足晶閘管觸發要求的大功率脈沖信號，功率放大電路原理如圖3所示。
[0023]5)在功率放大電路4中設計了功放信號反饋電路，如圖3所示，圖中限流電阻R2與5V穩壓二極管D3串聯后并聯在功率放大管Ql的源極、漏極兩端，反饋信號Pulse_0ut_feed取自圖3中所示點。當功率放大管Ql控制極為高電平時，Ql導通，R2、D3串聯單元被Ql短路，反饋信號Pulse_out_feed為零電平;反之當功率放大管Ql控制極為零電平時，Q1截至，R2、D3串聯單元對VCC電源電壓進行穩壓獲得5V信號，反饋信號Pu I s e_out_f eed為5V高電平。
[0024]6)脈沖分配器正常狀態信號，采用555定時芯片做多諧振蕩器輸出脈沖信號Normal_status。電路原路如圖4所示，U2、C2、C3、R3、R4、D4、D5構成了頻率及占空比可調的多諧振蕩器。在實際應用中采用周期約為300ms、脈沖寬度約為40ms的脈沖。
[0025]7)脈沖功率放大回路狀態信號的原理如圖4所示。整形后的脈沖信號Pulse_out與功放末級的反饋信號Pulse_out_feed進入異或門U3進行異或邏輯。電路正常工作時，當Pulse_out是低電平則Pulse_out_feed是高電平異或邏輯U3輸出高電平；當Pulse_out是高電平則Pulse_out_feed是低電平異或邏輯U3輸出高電平;其它邏輯組合則U3輸出低電平。異或邏輯U3輸出的電平信號經反相器U5反相后輸入到后級單穩態諧振電路，得到脈寬可調的功放回路狀態信號Pul se_s tatus。單穩態諧振電路如圖4所示，由U4、Cl、R6、R7組成，在控制端為高電平時輸出一個脈沖，該脈沖Pulse_status寬度可通過C1、R6設定。在本應用中脈沖 Pulse_status 寬度約 300ms。
[0026]8)脈沖分配器狀態信號邏輯綜合及輸出。實現電路如圖4所示，由U6、U7、R5、R8、Q2組成。脈沖分配正常信號Normal_status與功放回路狀態檢測信號Pulse_status進行或門邏輯U6后得到復合狀態信號Status_out。復合狀態信號Status_out通過Q2驅動光發送器U7輸出診斷信號。診斷邏輯是:當脈沖分配器工作正常時，Status_0ut是脈沖電信號，U7輸出脈沖光信號；當脈沖分配器功放回路故障時，Status_0ut為高電平，U7—直輸出光信號；當電源故障時，Status_out為零電平，U7無光信號輸出。
[0027]9)故障診斷信號經過光纖反饋到控制系統。控制系統對接收的信號進行邏輯判斷:當接收信號為脈沖信號則脈沖分配器正常，且為高電平信號則脈沖分配器功放回路故障，為低電平信號則脈沖分配器電源故障。
[0028]10)正常狀態下脈沖狀態診斷邏輯測試波形如圖5所示，通道I是光接收器接收轉換后的輸入脈沖信號Pulse_in，通道2是功率放大末級信號Pulse_out_feed，通道3是診斷脈沖輸出信號。正常狀態下輸出診斷脈沖信號，如圖5通道3所示。
[0029]11)功放級無輸入脈沖故障態邏輯測試波形如圖6所示，通道I是光接收器接收轉換后的輸入脈沖信號Pulse_in，通道2是功率放大末級信號Pulse_out_feed，通道3是診斷脈沖輸出信號。故障時診斷輸出高電平信號，如圖6通道3所示。
[0030]功放級短路故障態邏輯測試波形如圖7所示，通道I是光接收器接收轉換后的輸入脈沖信號Pulse_in，通道2是功率放大末級信號Pulse_out_feed，通道3是診斷脈沖輸出信號。故障時診斷輸出高電平信號，如圖7通道3所示。
[0031]本發明所公布的技術方案中輸入信號與功放末級信號邏輯處理采用的是異或邏輯與單穩態單諧振蕩器，但不局限與本發明實現的邏輯方案，可以有其它邏輯處理方式。
[0032]多諧振蕩器產生脈沖信號，本發明公布的是555電路實現方法，但多諧振蕩器實現不局限于此，可以采用其它集成芯片實現。
[0033]本發明是公布的技術方案中診斷邏輯由基本門電路及邏輯芯片實現，但不局限于此，診斷邏輯可以通過數字信號處理器、ARM、FPGA、CLH)等器件實現。
【主權項】
1.一種脈沖分配器在線故障診斷方法，其特征在于:包括有隔離型AC/DC電源模塊、光接收器、施密特反相器、功率放大電路、脈沖狀態診斷邏輯電路、光發送器和控制系統。2.根據權利要求1所述的一種脈沖分配器在線故障診斷方法，其特征在于:所述的隔離型AC/DC電源模塊為光接收器、施密特反相器、功率放大電路、脈沖狀態診斷邏輯電路和光發送器提供電源，所述的光接收器接收光脈沖觸發信號并轉換為電脈沖信號，由施密特反相器對信號進行整形，再由功率放大電路將電信號轉換成滿足晶閘管觸發要求的脈沖功率信號，同時整形后的脈沖信號與取自功放電路末級的電脈沖信號通過脈沖狀態診斷邏輯處理后輸出一個狀態信號，若該狀態信號是脈沖信號，則表不脈沖分配器工作正常;若該狀態信號是高電平，則表示功率放大回路故障;若該狀態信號是低電平，則表示電源故障，該狀態信號由光發送器通過光纖傳送反饋到控制系統，控制系統通過識別脈沖邏輯的不同組合來實現脈沖分配器正常態、脈沖故障態、電源故障態的在線狀態檢測功能。3.根據權利要求2所述的一種脈沖分配器在線故障診斷方法，其特征在于:所述的功率放大電路由限流電阻R2與5V穩壓二極管D3串聯后并聯在功率放大管Ql的源極和漏極兩端構成的，功率放大管Ql的柵極為施密特反相器整形后的信號的輸入端，功放電路末級的電脈沖信號從限流電阻R2和穩壓二極管D3的公共端輸入，功率放大管Ql的漏極還連接有電阻Rl，電阻Rl與變壓器Tl串聯，變壓器Tl的兩邊分別連接有二極管Dl和二極管D2。4.根據權利要求2所述的一種脈沖分配器在線故障診斷方法，其特征在于:所述的脈沖狀態診斷邏輯電路包括有NE555D芯片U2、異或門U3、CD4538BCM芯片U4、反相器U5和或門U6，NE555D芯片U2、電容C2、電容C3、電阻R3、電阻R4、二極管D4、二極管D5構成了頻率及占空比可調的多諧振蕩器，NE55?芯片U2的THRES端和CONT端分別與電容C2和電容C3連接，電容C2和電容C3的另一端接地，NE55?芯片U2的THRES端和DISCH端分別與電阻R3和二極管D4的正極連接，電阻R3和二極管D4串聯后再與二極管D5并聯，電阻R4的兩端分別與電阻R3和VCC5V連接，OUT端連接或門U6的一個輸入端，整形后的脈沖信號與功放末級的反饋信號進入異或門U3，異或門U3的輸出端連接反相器U5的輸入端，反相器U5的輸出端與電阻R7連接，CD4538BCM芯片U4、電容Cl、電阻R6、電阻R7組成單穩態諧振電路，CD4538BCM芯片U4的AaIN端與電阻R7連接，電阻R6的一端連接VCC5V，另一端分別連接電容Cl和⑶4538BCM芯片U4的T2A端，電容Cl與TIA端連接，CD4538BCM芯片U4的QaOUT端連接或門U6的另一個輸入端，或門U6的輸出端通過R8與三極管Q2的基極連接，三極管Q2的集電極與所述的光發送器連接。
【文檔編號】G01R31/00GK105974217SQ201610101273
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年2月24日
【發明人】黃連生, 陳曉嬌, 傅鵬, 高格, 王澤京, 何詩英
【申請人】中國科學院等離子體物理研究所